CN106968365B - 一种兼顾承力和耗能的装配式防屈曲钢板剪力墙 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有良好抗侧刚度和耗能能力兼顾竖向承载能力的新型预制装配式防屈曲钢板剪力墙。一种兼顾承力和耗能的装配式防屈曲钢板剪力墙包括边缘约束梁柱，预制混凝土墙板和内嵌钢板的三部分构件构成，构件之间通过焊接或螺栓连接，实现工业化生产和现场干作业施工。本发明装配式防屈曲钢板剪力墙内耗能承力钢板、内嵌钢板和边缘构件不同失效顺序对于多道防线的建立起到了重要作用，有效增大抗侧刚度，强度；承担部分竖向力，减轻对柱子负担；滞回曲线饱满，耗能能力进一步增强，利于产业化应用。

Description

一种兼顾承力和耗能的装配式防屈曲钢板剪力墙

技术领域：

本发明属于防屈曲钢板剪力墙领域，具体涉及一种兼顾承力和耗能装配式防屈曲钢板剪力墙及其使用方法。

背景技术

改革开放以来，我国的房地产行业获得了蓬勃的发展，逐渐成为中国的支柱型产业，建筑领域取得了一系列辉煌的成就。但同时我国建筑行业与发达国家相比仍然为粗放劳动密集型的行业，存在生产施工效率底，施工周期长，施工人员整体素质不高，建筑质量与安全问题频出，建筑过程耗能大，资源浪费等各种问题。同时，环境污染严重，自然资源紧张带来的一系列问题已日益摆在我们面前。因此为建立环境友好，资源节约型社会早日实现，传统建筑行业必须进行必要的产业革命与技术革新。

在这一背景下，预制装配式结构再一次走进人们视野，与传统建筑相比预制装配式建筑有以下优点：

1)、构件大部分都是由工厂预制生产再到现场装配，现浇作业大大减少可大大降低施工现场建筑垃圾和废水的产生，大大减轻施工现场扬尘、污染气体的排放，满足节能环保的需求。

2)、工厂化有助于提升了模具和器械的利用率，预制构件在工厂完成缩短了传统建筑混凝土养护时间，使整个建筑周期大大缩短，同时大大减少了现场的施工人员，工厂化成熟后可以降低建筑成本。

3)、工厂化预制构件可以大面积采用机械化，减少了人为因素的影响，有助于提升建筑质量，保证结构安全。

现有预制装配式结构与传统现浇结构的区别主要在于节点和连接缝处，因此节点和连接缝的性能直接影响装配式结构的整体性能，而装配式节点和连接缝现有技术并不能做到完全等同于现浇的水平。因而导致结构的整体抗侧刚度小，耗能能力不足，在地震作用下，结构主要靠构件连接处的损伤和构件损坏来消耗能量，容易造成结构节点破坏和整体倒塌，给震后修复带来困难。而有关研究表明在预制装配式体系中采用耗能减震技术，会很好的改善预制装配式结构的不足，因此研究采用耗能减震技术的预制装配式结构体系对住宅产业化的推广有重要意义。

耗能减震技术通过在结构中增加耗能部件和耗能器来提高结构的附加刚度阻尼，从而耗散结构能量，减轻结构动力反应。防屈曲钢板剪力墙作为一种新型的耗能构件，能够为结构提供良好的抗侧刚度和耗能能力。与传统的抗侧力构件相比，用钢板做剪力墙具有下列优点：与纯抗弯钢框架相比，采用钢板墙可节省用钢量50％以上；与精致的防屈曲支撑相比，钢板墙不但相对便宜，且制作和施工都比较简单；钢板墙弥补了混凝土剪力墙或核心筒延性不足的弱点；采用钢板墙结构，由于墙板厚度较钢筋混凝土墙要小很多，故能有效降低结构自重，减小地震响应，压缩基础费用；制作周期短，施工速度快，适合应用在预制装配式结构中。

钢板剪力墙结构体系始于20世纪70年代，早期以钢板的弹性屈曲为极限状态。解决方法是密肋加劲或厚板。利用钢板屈曲形成的拉力带抵抗水平力作用，会对主子产生较大的附加弯矩，使柱子早早进入屈服，因此保证边柱板件局部稳定是发挥钢板墙屈曲后强度的必要条件。此外钢板剪力墙会产生较大的屈曲声响和面外变形，达不到人们舒适度的要求。因此加州伯克利的Astaneh提出了在钢板两侧添加混凝土板组成的“传统型”组合钢板剪力墙，由两侧混凝土板约束钢板的平面外屈曲，使其平面内屈曲耗能，但“传统型”组合钢板剪力墙容易在荷载较小的情况下混凝土被压碎失去对钢板的约束作用，因此又提出了在混凝土板和周边框架之间留缝的“改进型”防屈曲钢板剪力墙，表现出优异的延性和耗能能力。清华大学的郭彦林等在“改进型”组合钢板剪力墙的基础上进一步加大了混凝土板与框架之间的缝隙，使混凝土板在结构整个受力过程中只起到防止钢板平面外变形的作用，并正式引入了防屈曲钢板剪力墙的概念。并对防屈曲钢板剪力墙进行了抗剪极限承载力与滞回性能研究，表明防屈曲钢板剪力墙滞回曲线饱满，表现出很好的延性和耗能能力，是一种非常适合运动在高烈度设防区的抗侧立体系。

现有技术CN1603539A提供了一种属于结构工程技术领域的防屈曲耗能钢板剪力墙。其特征是所述剪力墙由内嵌钢板和两侧***混凝土盖板组成；所述内嵌钢板采用低屈服点高延性钢材或高强度高延性钢材；所述***混凝土盖板采用一般混凝土板；所述边缘构件由边缘梁和边缘柱组成；所述内嵌钢板与所述混凝土盖板之间通过穿透三块板的螺栓或预应力螺栓连接，在所述混凝土盖板上开椭圆型孔以便螺栓穿过且有足够的滑移空间；在所述混凝土盖板开孔位置预埋槽形钢给予加强，并在加强槽钢的相应位置开椭圆孔。该方案主要存在问题在于：(1)、在内嵌钢板在混凝土盖板与边缘框架梁柱之间缝隙处容易出现局部的屈曲；(2)、混凝土盖板只起到抑制屈曲的作用，不能传递力；(3)、防屈曲钢板剪力墙只起到抗侧作用而不承担竖向力。

CN103726585A提供了一种内藏支撑的防屈曲耗能钢板剪力墙，包括内填耗能钢板、内藏支撑和混凝土板，内填耗能钢板与内藏支撑连接为整体，两者共同工作。其中：内藏支撑焊接在内填耗能钢板受集中力较大的部位，使内填耗能钢板和内藏支撑两者共同抵抗较大的集中力；内填耗能钢板和混凝土板之间设置隔离层，使内填耗能钢板和混凝土板之间能相对移动；内藏支撑的外表面与混凝土板接触部位设置隔离层，使内藏支撑和混凝土板能相对移动；内藏支撑的内表面与混凝土板接触部位填充适量的塑料泡沫，避免变形时将混凝土板挤坏。该方案存在的主要问题在于：(1)、在内嵌钢板在混凝土盖板与边缘框架梁柱之间缝隙处容易出现局部的屈曲；(2)、混凝土盖板只起到抑制屈曲的作用，不能传递力；(3)、防屈曲钢板剪力墙只起到抗侧作用而不承担竖向力，(4)、构造复杂，施工不方便。

防屈曲钢板剪力墙是种抗侧刚度大，耗能性能良好的抗侧力构件和耗能构件，对改善预制装配式结构体系的性能有很广阔的应用前景，因此本设计提出了一种新的兼顾承力和耗能预制装配式防屈曲钢板剪力墙。

发明内容：

本发明为防屈曲钢板剪力墙的改进。防屈曲钢板剪力墙有良好的抗侧性能和耗能能力，但其两侧混凝土板只抑制屈曲，并不承担力的作用。并且由于薄钢板受压屈曲，并不能很好的承担竖向力的作用。本发明在混凝土的四周加上低屈服点耗能承力钢板，在小震下，预制混凝土墙板通过低屈服点钢板传力与内嵌钢板共同承担水平与竖向力作用力，大震情况下，耗能承力钢板在开孔薄弱处屈服耗能，避免了混凝土压碎，同时增大了结构耗能。

本发明提出了一种具有良好抗侧刚度和耗能能力兼顾竖向承载能力的预制装配式防屈曲钢板剪力墙。

本发明一种兼顾承力和耗能的装配式防屈曲钢板剪力墙，其特征在于：包括：边缘约束梁柱，预制混凝土墙板和内嵌钢板的三部分构件构成，预制混凝土墙板包含混凝土盖板、耗能承力钢板和填充于盖板内部的混凝土，通过第一混凝土盖板-混凝土-第一耗能承力钢板-内嵌钢板-第二耗能承力钢板-混凝土-第二混凝土盖板的顺序连接，垂直于前述连接方向上，耗能承力钢板和内嵌钢板分别与边缘约束梁柱连接。

优选的一种方案为，耗能承力钢板与边缘约束梁柱通过角钢螺栓连接，内嵌钢板与边缘约束梁柱焊接连接，耗能承力钢板与内嵌钢板通过螺栓连接。所述内嵌钢板为整片墙抗侧力主要构件，主要用大高厚比薄钢板做成。

优选的一种方案为，边缘约束梁柱呈近似“工”字形状，“工”字形状梁柱尺寸可根据需求调节，优选为上下两横长度相等。

优选的一种方案为，耗能承力钢板呈“∏”形状，第一耗能承力钢板与第二耗能承力钢板形成呈近似“北”字形状，“北”字两“竖”向下延伸，内嵌钢板填充“北”字中间空隙。

优选的一种方案为，呈近似“工”字形状第一边缘约束梁柱、与第一耗能承力钢板与第二耗能承力钢板形成的呈近似“北”字顶端连接，第一耗能承力钢板与第二耗能承力钢板形成的呈近似“北”字的两“竖”向下延伸末端、与呈近似“工”字形状第二边缘约束梁柱连接。

优选的一种方案为，呈“∏”形状的耗能承力钢板的垂直中心方向上，通过对拉螺栓贯穿第一混凝土盖板-混凝土-第一耗能承力钢板-内嵌钢板-第二耗能承力钢板-混凝土-第二混凝土盖板。

优选的一种方案为，耗能承力钢板与内嵌钢板通过螺栓连接。

优选的一种方案为，所述的预制混凝土墙板，由预制混凝土盖板和耗能承力钢板两部分构成后，工厂生产中将内嵌钢板部分与混凝土盖板中钢筋焊接，再现浇混凝土形成整体。优选高强混凝土如C60、C70浇筑。

优选的一种方案为，第一耗能承力钢板与第二耗能承力钢板形成的呈近似“北”字的两“竖”向下延伸，形成多个近似“北”字依次连接，最后一个近似“北”字向下延伸末端连接边缘约束梁柱，各个近似“北”字由多个对拉螺栓贯穿。

优选的一种方案为，所述对拉螺栓由螺杆、垫片和螺帽组成，通过预制混凝土墙板边缘连接垫片后固定螺帽。

本发明中耗能承力钢板部分埋置于预制混凝土盖板中并且有效粘结。将预制混凝土墙板与内嵌钢板用高强承压型螺栓施加一定预应力连接，耗能承力钢板与边缘约束梁柱采用角钢用高强承压型螺栓连接，使整体墙板易安装可拆卸。

本发明中预制混凝土墙板与内嵌钢板的可靠连接有效限制钢板的平面外屈曲，并通过耗能承力钢板参与承担竖向力和提供抗侧刚度。因此装配式防屈曲钢板剪力墙的抗侧刚度和承载力由三部贡献，分别由约束边缘柱、内嵌钢板和预制混凝土墙板三部分组成。竖向承载力主要由两边的边缘约束柱和预制混凝土墙板承担。装配式防屈曲钢板剪力墙在弹性范围内，由内嵌钢板和预制混凝土墙板共同承担侧向力，在结构进入塑性后，预制混凝土墙板中耗能承力钢板率先进入塑性屈服耗能，随后内嵌钢板剪切屈服耗能。最后才是主体结构梁柱发生塑性变形。

本发明装配式防屈曲钢板剪力墙通过对传统防屈曲钢板剪力墙中预制混凝盖板的利用，可有效增大结构的抗侧强度和刚度，大大改善装配式结构的抗侧性能弱的缺点，减小了结构的层间位移角和p-Δ效应，对于传统装配式体系过柔问题得到了很好的解决。对于防屈曲钢板剪力墙不能承担竖向力，且竖向力作用下出现承载力和耗能能力降低现象作出了一定的改善作用，同时减小了倾覆力矩对柱子的影响，大大减轻了柱子的轴向力，有利于结构的延性和多道抗震防线的建立。低屈服点钢条的存在在滞回往复作用下充分耗能，增加了整体结构的耗能能力。装配式防屈曲钢板剪力墙内在耗能承力钢板、内嵌钢板和边缘构件不同失效顺序对于多道防线的建立起到了重要作用。

综上，本发明相对于现有技术的有益效果包括：本发明预制装配式防屈曲钢板剪力墙有效增大抗侧刚度，强度；承担部分竖向力，减轻对柱子负担；滞回曲线饱满，耗能能力进一步增强；对混凝土板进行了充分的利用，减轻了由于混凝土板自重对钢板的不利影响；解决了防屈曲钢板剪力墙局部薄弱屈曲的问题。抗侧刚度和强度的增大减小了整体结构的在地震作用下的侧向位移。

附图说明：

图1为本发明的结构安装示意图，各图及连接顺序为：1-1耗能承力钢板→工厂配筋现浇混凝土→1-2预制混凝土墙板-预制墙板约束内嵌钢板定位→1-3装配式防屈曲墙板安装→高强螺栓连接→1-4装配式防屈曲墙板→墙板安装定位于框架梁柱→1-5装配式防屈曲钢板剪力墙安装→高强螺栓连接→1-4装配式防屈曲钢板剪力墙；

图2：三种主要预制混凝土墙板构件图，其中，2-1边缘约束梁柱示意图；2-2内嵌钢板示意图；2-3预制混凝土墙板示意图(由混凝土盖板和耗能承力钢板构成)。

图3：防屈曲钢板剪力墙剖面图，其中，3-1为细节构造装配式，3-2为E为预制混凝土墙板放大示意图，3-3为耗能承力钢板放大示意图，3-4为螺栓设定放大示意图，3-5为对拉螺栓剖面图。

图4：抗侧承载力对比图。

图5：竖向承载力对比图。

图6：滞回曲线对比图。

其中A为耗能承力钢板，B为内嵌钢板，C为边缘约束柱，D为连接角钢，E为预制混凝土墙板，F为螺栓，G为对拉螺栓，H为方孔，I为螺钉。

具体实施方式

下面通过实例和附图解释本发明。本实例为发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构或实现方法与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

实施例一

参考图1-3所示，一种兼顾承力和耗能的装配式防屈曲钢板剪力墙，其特征在于：包括：边缘约束梁柱，预制混凝土墙板和内嵌钢板的三部分构件构成，预制混凝土墙板包含混凝土盖板、耗能承力钢板和填充于盖板内部的混凝土，通过第一混凝土盖板-混凝土-第一耗能承力钢板-内嵌钢板-第二耗能承力钢板-混凝土-第二混凝土盖板的顺序连接，垂直于前述连接方向上，耗能承力钢板和内嵌钢板分别与边缘约束梁柱连接。

耗能承力钢板与边缘约束梁柱通过角钢螺栓连接，角钢为垂直构件，内嵌钢板与边缘约束梁柱焊接连接，耗能承力钢板与内嵌钢板通过螺栓连接。所述内嵌钢板为整片墙抗侧力主要构件，主要用大高厚比薄钢板做成。其中，混凝土为C60浇筑。

实施例二

在实施例一的技术方案上，边缘约束梁柱呈近似“工”字形状，“工”字形状的上下两横长度相等。耗能承力钢板呈“∏”形状，第一耗能承力钢板与第二耗能承力钢板形成呈近似“北”字形状，“北”字两“竖”向下延伸，内嵌钢板填充“北”字中间空隙。

呈近似“工”字形状第一边缘约束梁柱、与第一耗能承力钢板与第二耗能承力钢板形成的呈近似“北”字顶端连接，第一耗能承力钢板与第二耗能承力钢板形成的呈近似“北”字的两“竖”向下延伸末端、与呈近似“工”字形状第二边缘约束梁柱连接。

呈“∏”形状的耗能承力钢板的垂直中心方向上，通过对拉螺栓贯穿第一混凝土盖板-混凝土-第一耗能承力钢板-内嵌钢板-第二耗能承力钢板-混凝土-第二混凝土盖板。所述对拉螺栓由螺杆、垫片和螺帽组成，通过预制混凝土墙板边缘连接垫片后固定螺帽。

实施例三

在实施例一或二的技术方案上，耗能承力钢板与内嵌钢板通过设置有一个以上的方孔，通过螺栓连接。

优选耗能承力钢板可采用高度300mm，厚10mm低屈服点钢材。其中100mm在混凝土墙板的耗能承力钢板和边缘约束梁柱框架开缝处开孔，开孔形式可选择长方形孔，高60mm宽30mm，间距38mm。其余200mm埋置于混凝土墙板与内嵌钢板紧挨一侧，其内置部分会有两层栓钉与钢板相连，增大混凝土墙板对耗能承力钢板的锚固作用，此外在另混凝土中钢筋与耗能承力钢板在工厂现浇混凝土前进行焊接处理，增大两者作用。内嵌钢板和周边框架的设计与传统防屈曲钢板剪力墙一致。

第一耗能承力钢板与第二耗能承力钢板形成的呈近似“北”字的两“竖”向下延伸，形成多个近似“北”字依次连接，最后一个近似“北”字向下延伸末端连接边缘约束梁柱，各个近似“北”字由多个对拉螺栓贯穿。

在前述实施例中，预制混凝土墙板在工厂预制完成，其分为混凝土盖板部分和半埋置耗能承力钢板部分。

混凝土墙板的长宽由周边边缘约束梁柱框架决定，其上下分别与周边边缘约束梁柱框架留缝100mm，此留缝用于预制混凝土墙板中耗能承力钢板与周边边缘约束梁柱框架通过角钢螺栓连接，以此预制混凝土墙板通过耗能承力钢板传递侧向力与竖向力。

通过对本实施例进行有限元分析，得到其失效模式为：首先在耗能承力钢板开孔处出现屈服，其次为内嵌钢板，最后梁柱屈服，形成了多道屈服防线机制。耗能承力钢板塑性发展均匀，充分耗能同时通过自身变形保护了混凝土墙板不被压坏，从而始终限制内嵌钢板的平面外变形。

实施例四

对实施例二进一步扩展的实施三的抗侧承载力和竖向承载力防屈曲钢板剪力墙与未有本发明设置的传统防屈曲钢板剪力墙进行对比分析，结果如图4-6所示，可看出，本装配式防屈曲钢板剪力墙抗侧强度刚度和竖向承载力均得到有效提升。对两者滞回曲线对比，明显发现装配式防屈曲钢板剪力墙滞回曲线更加饱满。

本实例中只以几种具体情况说明本发明的结构和具体应用，本发明还存在其他实施方式、构造和应用方法。如开孔方式的选择、耗能承力钢板两边连接等。可根据实际工程需要可采取不同的材料强度和尺寸等，并不限于此。

本发明可广泛应用于装配式钢框架结构中，装配式框架核心筒结构中，可有效改善结构的地震下的抗侧性能。对装配式结构的推广具有重要意义。

Claims (6)

1.一种兼顾承力和耗能的装配式防屈曲钢板剪力墙，其特征在于：包括：边缘约束梁柱，预制混凝土墙板和内嵌钢板的三部分构件构成，预制混凝土墙板包含混凝土盖板、耗能承力钢板和填充于盖板内部的混凝土，通过第一混凝土盖板-混凝土-第一耗能承力钢板-内嵌钢板-第二耗能承力钢板-混凝土-第二混凝土盖板的顺序连接，垂直于前述连接方向上，耗能承力钢板和内嵌钢板分别与边缘约束梁柱连接；

其中，边缘约束梁柱呈近似“工”字形状，“工”字形状的梁柱尺寸可根据需求调节；

耗能承力钢板呈“∏”形状，第一耗能承力钢板与第二耗能承力钢板形成呈近似“北”字形状，“北”字两“竖”向下延伸，内嵌钢板填充“北”字中间空隙；

呈近似“工”字形状第一边缘约束梁柱、与第一耗能承力钢板与第二耗能承力钢板形成的呈近似“北”字顶端连接，第一耗能承力钢板与第二耗能承力钢板形成的呈近似“北”字的两“竖”向下延伸末端、与呈近似“工”字形状第二边缘约束梁柱连接；呈“∏”形状的耗能承力钢板的垂直中心方向上，通过对拉螺栓贯穿第一混凝土盖板-混凝土-第一耗能承力钢板-内嵌钢板-第二耗能承力钢板-混凝土-第二混凝土盖板。

2.根据权利要求1所述的装配式防屈曲钢板剪力墙，其特征在于：耗能承力钢板与边缘约束梁柱通过角钢螺栓连接，内嵌钢板与边缘约束梁柱焊接连接，耗能承力钢板与内嵌钢板通过螺栓连接。

3.根据权利要求1所述的装配式防屈曲钢板剪力墙，其特征在于：耗能承力钢板与内嵌钢板通过螺栓连接。

4.根据权利要求1所述的装配式防屈曲钢板剪力墙，其特征在于：所述的预制混凝土墙板，由预制混凝土盖板和耗能承力钢板两部分构成后，工厂生产中将内嵌钢板部分与混凝土盖板中钢筋焊接，再现浇混凝土形成整体。

5.根据权利要求1所述的装配式防屈曲钢板剪力墙，其特征在于：第一耗能承力钢板与第二耗能承力钢板形成的呈近似“北”字的两“竖”向下延伸，形成多个近似“北”字依次连接，最后一个近似“北”字向下延伸末端连接边缘约束梁柱，各个近似“北”字由多个对拉螺栓贯穿。

6.根据权利要求1或5所述的装配式防屈曲钢板剪力墙，其特征在于：所述对拉螺栓由螺杆、垫片和螺帽组成，通过预制混凝土墙板边缘连接垫片后固定螺帽。